MOS 电平转换电路故障

bazhonglei

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
. P- H9 V7 Y7 N/ {9 @: J看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
/ `9 d" F- M4 N1 h# e1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

. R' [8 W( C2 R2 W1 r+ L换个思路！假定MOS管截止，输入为0，那么VS是不是0.6V？那VGS就是1.8-0.6=1.2V，你的手册上VT最大1.1V，是不是很接近？另外你的MOS管显然要工作在开关模式，要工作在左侧和最下面两个区，也就是电阻区和截止区，条件是VG>VT，VDS<VG-VT和VG<VT，而不是你理解的饱和区。至于手册标的有没有水分，脱离开此电路，重新搭电路批量测一下就MOS就行，就测不良的，看看VGS=1.1是否能
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超級狗

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
' i, H+ T7 c4 A. j6 _  c. @看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易懂，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！

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V_GS(th) 和 V_DS v.s. I_D 曲線都是用 SMU (Source Meter Unit) 量測的。

MOSFET 臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 定義

V_DS = V_GS 情況下，I_D ≥ 250μA 的 V_GS 電壓。（注意 Datasheet 上面有寫測試條件 V_DS = V_GS。）

臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 的量測方式（僅為舉例說明，實際量測方式看儀器的作法。）；

• V_DS = V_GS = 0.1V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.2V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.3V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
  ; U$ h3 l# I% ~0 s8 c# M- ]

…

..

.

參照之前線性區（Linear Region）及飽和區（Saturation Region）附圖，測試就是約略沿著二區域中間那條藍色虛線分界一路測上去。只要你可以找到一個 V_GS 電壓點能讓 I_D ≥ 250μA，你就能宣稱那是臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th)。由於每顆 MOSFET 單體多少都會有些差異，所以就會得到類似 V_GS(th) = 0.7V ~ 1.1V 這種結果。

超級狗

超級狗 发表于 2025-4-21 11:12
% X( M6 E# R0 y) j. O. ~6 {% }! i狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！
+ M0 ^) W* P, ?1 K+ d6 T2 y2 b$ ^+ X0 j ...

如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) = 1.1V，但 Datasheet 中的 V_DS v.s. I_D 曲線，最低卻只有 V_GS = 2.5V，這代表何意？

) f. b) S# D7 E% \, j那表示 SMU (Source Meter Unit) 在 V_GS < 2.5V 時，是掃描不出這些曲線的。我們可以了解，在 V_DS 高電壓時不會是問題，因為 V_GS(th) = 1.1V、這個電壓遠低於 2.5V，V_GS = V_DS = 1.1V MOSFET 就會導通了，V_DS 更大不會是問題。問題會出現在 V_DS 低電壓的部分，即虛線左側的線性區（Linear Region）。
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$ h' R& v, T1 q4 C簡單來說 V_GS(th) = 1.1V 僅表示在 V_DS = V_GS = 1.1V 這個點能導通；但不代表 V_DS < 1.1V 時，N-Channel MOSFET 有辦法穩定導通。而 MOSFET 導通時的內阻 R_DS(on) 很小、V_DS ≈ 0V，這個工作點在 V_DS v.s. I_D 曲線中，會非常靠近 X 軸及原點的地方。如果沒有低於 V_GS = 1.8V 對應曲線就意謂著，即便規格是 V_GS(th) = 1.1V，MOSFET 在 V_GS = 1.8V 且 V_DS < 1.8V 的狀況下是無法穩定導通的。
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超級狗

超級狗 发表于 2025-4-20 23:35
, k1 f7 F+ I7 K% \% c. x樓主大人：
要詳細寫得花點時間，我找時間再給完整的答覆。但可以給您幾個提示，您先想一下！

小弟一開始請樓主比對暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 的規格，看能否發現一些差異，現在您再看一次、就會有感覺了！

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) Y3 S. K' B  E( z& f7 c% C( @; f
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再见海贼王

bazhonglei 发表于 2025-4-18 11:37
  q- L7 N# s6 [0 h4 f# H9 i输入为0，由于VGS=0，MOS管截止，但是由于体二极管的存在，导致VS=0.6V，此时VD=0，VG=1.8V，VT=1.1V，VGD> ...

6 O8 }3 a* k0 K; i+ I# U' v个人觉得，小电流时，二极管压降随电流变化比较明显，不能简单的定义为0.6V；只能说有可能处于饱和区，具体值需要知道MOS管工艺参数假设处在某个区来计算。这种最好实测或者仿真，要不就留大余量。

超級狗

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超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
: R- `! W: [0 @: \& p2 Z8 b$ s4 ?如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

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案例分享

之前任職過的公司，也有工程師隨便選擇了 AOS (Alpha and Omega Semiconductor) 的某個 N-Channel MOSFET 型號，搭配 2.2KΩ 的 Pull-Up 電阻，用來設計 3.3V to 5V I²C Level Translator 電路。當時也遭遇到無法正常工作的問題，但我們把 Pull-Up 電阻降低至 240Ω 後，這個電路就能動作了。

為什麼 Pull-Up 電阻 ≤ 240Ω 後就能動作了？

因為 MOSFET 沒完全導通，通道電阻 R_DS 很大（不寫 R_DS(on) 是因為 MOSFET 沒完全打開，不能被稱為 On 的狀態。）。但 Pull-Up 電阻降低後，和通道電阻 R_DS 接近了，分壓後會將 V_DS 電壓拉高，此時 N-Channel MOSFET 就有機會進入導通區域了。（僅是有機會，不代表一定會！）

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但這個改變會讓電路很耗電，僅建議作為測試或暫時的補救措施。正確的作法還是應該選擇適當規格的 N-Channel MOSFET，或是使用專用的 Level Translator IC。

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radioes8

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

回复不了，不知道为什么。
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超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
回复不了，不知道为什么。

! N8 Y* p& X( k+ [1 f樓主大人：
您的標題是寫「故障」，想請教一下。
" a: s4 U0 g. O3 V& _, `
# d. d0 [: ]: I3 S1 S

• 電路一開始是能正常工作，後來才不能動嗎？
• 確認是 MOS 管單體壞了嗎？
  

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超級狗

: [$ [- [) l" f9 U& `# s

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
回复不了，不知道为什么。

! c, K: k7 a4 ^4 HV_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。

5 A5 O4 z" W! `% B# o# C我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。

) B  i0 w: j- J你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）
* B5 U% |7 g' t/ I
另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！

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超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
4 `8 M. h5 m( X回复不了，不知道为什么。

/ _/ Q) F. |9 Y2 r. x) n) s) J小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 I²C 電平轉換應用。

& `& }& B; o5 b+ ~當小弟再度追問其關鍵原因，它給了下列幾點結論。

6 c% o- C- r& w+ T人工腦殘結論

• V_GS v.s. R_DS(on) 曲線圖顯示， MOS 管在 V_GS = 2V 左右才打開。
• 只要 Datasheet 沒有列出 R_DS(on) @ 1.8V，基本上就不要指望它能在 1.8V 下穩定導通。
  
  

其實這就是我和龍大看法相近之處，你至少要敢寫、我才信你！


3 Y& N0 z/ D, M* d0 u2 {4 J

) e# w! Q5 |0 X+ O, t

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huo_xing

超級狗 发表于 2025-4-23 10:35
小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 IC 電平 ...

8 Q: k9 m- V1 f- r' _狗大，逻辑反了。是没有写的不能相信。写了不一定行。
手册中有只是我们甩锅的对象，项目找人背锅能证明不是我们问题。

radioes8

超級狗 发表于 2025-4-23 07:35
7 i3 T! Q8 W6 r& l& o# @4 c樓主大人：
* U; q# Z8 ?# ]+ J) P您的標題是寫「故障」，想請教一下。

/ t, H% D9 B0 Z产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

radioes8

超級狗 发表于 2025-04-23 08:46:17

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2 ?% u& ]7 T9 \# Z8 rV_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。
/ J! U* y! m* E# ]8 Y
2 X, j3 z% O( f! h) \我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。
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你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）
% X& _: @, f! C: q4 l7 w1 \8 b
3 e; j% A0 I2 j4 _; o& v另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！
$ R9 H5 m0 G( J9 y

9 R4 i2 s( \( x! x- [
- k( f6 O; F/ e# j- t# i我好像被限制发言了

超級狗

: a3 A" U  `5 Q5 {6 J

radioes8：
产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

如果檢查 MOS 管特性是正常的，那有可能是老化、環境...等因素造成參數漂移後產生的異常。
! {; {" ~! c' a( k, B; ?
除了狗弟之前降低上拉（Pull-Up）電阻值的經驗外，器件規格也告訴我們，溫度降低、導通電阻 R_DS(on) 也會跟著降低，也可以噴冷凍劑在不良 MOS 管上試試，或吹風機加熱正常的 MOS 管。但這些手段僅是驗證測試，不能作為解決方案。

+ S# B4 K$ b( V' u+ W單從供應商的規格來看，他們並不保證 1.8V 下能正常動作，最好能換成虐死批你呀（Nexperia）BSH103。
  o5 q' }  d' w* @
關於這個電路在 1.8V 應用的風險，小弟在下一貼回您。
; g* c7 p- U# l" r9 i. e
僅為個人建議！

8 t( q$ y5 g* |" A+ m  w附註：
我查看用戶設定，您並未被限制發言。

( Q/ N5 z- P' F7 c# G0 {( A% A; N8 j) J

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-23 21:34
" `& Q9 ?. ]# p/ I8 k产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

潛在風險
上述討論僅侷限在 N-Channel MOSFET 導通的問題上，這些要求僅能保證電路最基本的正常動作，但大多數人都不會去量測 I²C 的特性。其實在國外的討論網站上，這個電路都只建議使用在 3.3V 和 5V 間的 I²C 電平轉換。然而華人卻很聰明的，把它照抄到 1.8V 和 3.3V 的應用上。
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由於 1.8V 已經接近 N-Channel MOSFET 的最低工作電壓了，對於 > 100KHz 的高速應用，上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）等特性，有可能會超出 I²C 或其它介面規範要求。大家都本著會動就好的原則，經常會忽略這些問題，在選擇器件規格時又不嚴加把關，所以偶有意外發生也是正常的，設計時宜對訊號進行量測及檢視。
6 k8 w" i4 Q- m* u
我們之前的經驗是，應用於 1.8V 和 3.3V 的電平轉換，400KHz 之下的上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）會非常接近 I²C 規範要求，記得餘量 < 10ns。這個測試結果對於小米或華為這類的大客戶，可能就會提出質疑了。

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